Page 140 - 机械工程材料2025年第三期

张泽晨，等： S355NL钢风电法兰锻件低温冲击韧性不良的原因

图 7 合格试样与不合格试样冲击断口截面起裂区的反极图、晶界分布图和核平均取向差图
Fig. 7 Inverse pole figures (a, d), grain boundary distribution maps (b, e) and Kernel average misorientation maps (c, f) of impact
fracture section initiation zone of qualified (a‒c) and unqualified (d‒f) samples
法兰锻件的非金属夹杂物含量及分布与合格法兰 分布，这些不均匀分布的珠光体会影响铁素体晶体
锻件无明显不同，硬度、强度略低于合格法兰锻件， 的生长，导致晶粒尺寸分布不均匀。合格试样中珠
但是平均晶粒尺寸明显大于合格法兰锻件，且晶粒 光体均匀分布，铁素体晶粒较细且尺寸分布均匀，在
尺寸分布范围更宽，同时其冲击断口呈脆性断裂特 塑性变形过程中，变形会均匀分散在晶粒内，因此表
征，纤维断面率几乎为 0，而合格法兰锻件的冲击 现出较高的韧性。而不合格试样中，珠光体不均匀
断口呈韧性和脆性混合断裂形貌，纤维断面率为 分布，导致晶粒尺寸不均匀，在变形过程中更容易产
60%。S355NL钢风电法兰锻件的制作工艺流程为
生应力集中，促进裂纹萌生，因此不合格试样表现出
下料→加热→锻造制坯→再加热→辗环→正火热
较低的韧性。随着工件处于高温时间的延长，珠光
处理→机械加工→检测。其中，锻造制坯和辗环的
体含量减少 ［19-20］ ，材料的硬度也会相应降低。由此
加热温度为（1 250±20） ℃，正火热处理的温度为
可见，严格控制热处理的加热温度与在炉加热时间
（910±10）
℃。该工艺流程中影响工件晶粒尺寸的因
对于保证工件的强韧性至关重要。
素主要包括以下几方面。（1） 锻造工艺参数，锻造比
不足或锻造不均匀、终锻温度过高都易使工件产生 3 结 论
粗晶组织。（2） 热处理参数，合理的升温速率、加热
（1）不合格法兰锻件的冲击断口呈脆性断裂特
温度和保温时间是保证工件晶粒均匀细小的前提。
征，纤维断面率几乎为0，在冲击过程中裂纹的扩展
（3） 冷却方式，对于大直径、大壁厚的法兰件，冷却速
路径较平直，而合格法兰锻件的冲击断口呈韧性和
率低、冷却均匀度差会使工件中产生温度梯度，局部
脆性混合断裂形貌，纤维断面率为60%，裂纹扩展路
温度过高导致晶粒尺寸增大。辗环及热处理后应及
时冷却，避免晶粒在高温下持续生长。基于以上分 径更加曲折。
析，对冲击韧性不合格的法兰锻件的生产工艺流程 （2） 正火温度偏高、在炉加热时间较长导致的晶
进行排查，发现该批工件存在正火温度处于技术要 粒粗大、晶粒尺寸分布不均匀是S355NL钢风电法
求的上限值（约920 ℃） 以及在炉加热时间较长的问 兰锻件低温冲击韧性不良的主要原因，同时不均匀
题。工件长时间处于奥氏体高温区，晶粒生长的驱 分布的珠光体也会导致法兰锻件韧性的降低。在生
动力增大，同时较高正火温度导致珠光体的不均匀 产过程中应严格控制加热制度。

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